(1) Charakterystyka stopów aluminium serii 7xxx
Stopy aluminium serii 7XXx to stopy aluminium z Zn jako głównym pierwiastkiem stopowym i są to stopy aluminium obrabialne cieplnie. Po dodaniu Mg do stopu powstaje stop Al-Zn-Mg. Stop ma dobre właściwości odkształcania cieplnego i szeroki zakres hartowania. W odpowiednich warunkach obróbki cieplnej może uzyskać wysoką wytrzymałość i dobre właściwości spawalnicze. Ogólnie ma dobrą odporność na korozję i pewną tendencję do korozji naprężeniowej. Jest to stop aluminium o wysokiej wytrzymałości, nadający się do spawania. Stop Al-Zn-Mg-Cu jest opracowywany na bazie stopu Al-Zn-Mg przez dodanie Cu. Jego wytrzymałość jest wyższa niż stopów aluminium serii 2X. Jest ogólnie nazywany stopem aluminium o ultra wysokiej wytrzymałości. Granica plastyczności stopu jest zbliżona do wytrzymałości na rozciąganie, współczynnik granicy plastyczności jest wysoki, a wytrzymałość właściwa jest również wysoka, ale plastyczność i wytrzymałość w wysokiej temperaturze są niskie. Nadaje się do nośnych części konstrukcyjnych stosowanych w temperaturze pokojowej i poniżej 120 stopni. Stop jest łatwy w obróbce i ma dobrą odporność na korozję oraz wysoką wytrzymałość. Ta seria stopów jest szeroko stosowana w lotnictwie i przemyśle kosmicznym, stając się jednym z najważniejszych materiałów konstrukcyjnych w tej dziedzinie.
(2) Elementy stopowe i elementy domieszkowe oraz ich funkcje
① Stop Al-Zn-Mg Zn i Mg to główne pierwiastki stopowe w stopie Al-Zn-Mg, a ich zawartość nie przekracza zazwyczaj 7,5%.
Zn i Mg: Wraz ze wzrostem zawartości Zn i Mg w stopie, jego wytrzymałość na rozciąganie i efekt obróbki cieplnej generalnie odpowiednio wzrastają. Tendencja stopu do korozji naprężeniowej jest związana z sumą zawartości Zn i Mg. W przypadku stopów o wysokiej zawartości Mg i niskiej zawartości Zn lub wysokiej zawartości Zn i niskiej zawartości Mg, o ile suma zawartości Zn i Mg nie przekracza 7%, stop ma dobrą odporność na korozję naprężeniową. Tendencja stopu do pękania spawalniczego zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości Mg.
Śladowe ilości dodanych pierwiastków w stopach Al-Zn-Mg obejmują Mn, Cr, Cu, Zr i Ti, a główne zanieczyszczenia obejmują Fe i Si.
Mn i Cr: Dodanie Mn i Cr może poprawić odporność stopu na korozję naprężeniową. Zawartość Mn wynosi 0.2%~
Przy {{0}}.4% efekt jest znaczący. Efekt dodania Cr jest większy niż dodania Mn. Jeśli Mn i Cr zostaną dodane w tym samym czasie, efekt zmniejszenia tendencji do korozji naprężeniowej będzie lepszy. Odpowiednia ilość dodanego Cr wynosi 0.1%~0.2%.
Zr: Zr może znacznie poprawić spawalność stopów A{{0}}Zn-Mg. Gdy 0.2% Zr zostanie dodane do stopu AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35, pęknięcia spawalnicze są znacznie zmniejszone. Zr może również zwiększyć końcową temperaturę rekrystalizacji stopu. W stopie AlZn4.5Mg1.8Mn0.6, gdy zawartość Zr jest wyższa niż 0.2%, końcowa temperatura rekrystalizacji stopu wynosi powyżej 500 stopni. Dlatego materiał nadal zachowuje swoją wytrzymałość po hartowaniu. Odkształcona tkanka. Dodanie 0,1% do 0,2% Zr do stopów Al-Zn-Mg zawierających Mn może również poprawić odporność stopu na korozję naprężeniową, ale Zr ma mniejszy wpływ niż Cr.
Ti: Dodanie Ti do stopu może udoskonalić wielkość ziarna stopu w stanie odlewu i poprawić spawalność stopu, ale jego efekt jest mniejszy niż Zr. Jeśli Ti i Zr zostaną dodane w tym samym czasie, efekt jest lepszy. W stopie AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3 o zawartości Ti 0.12%, gdy zawartość Zr przekracza 0.15%, stop ma dobrą spawalność i wydłużenie i może osiągnąć ten sam efekt, co dodanie więcej niż 0.2% Zr. Ti może również zwiększyć temperaturę rekrystalizacji stopu.
Cu: Dodanie niewielkiej ilości Cu do stopów Al-Zn-Mg może poprawić odporność na korozję naprężeniową i wytrzymałość na rozciąganie. Jednak spawalność stopu jest zmniejszona.
Fe: Fe może zmniejszyć odporność stopu na korozję i właściwości mechaniczne, zwłaszcza w przypadku stopów o wysokiej zawartości Mn. Dlatego zawartość Fe powinna być jak najniższa, a jej zawartość powinna być ograniczona do mniej niż 0.3%.
Si: Si może zmniejszyć wytrzymałość stopu, nieznacznie zmniejszyć wydajność gięcia i zwiększyć tendencję do pęknięć spawalniczych. Zawartość Si w stopie powinna być ograniczona do mniej niż 0.3%.
② Stop Al-Zn-Mg-Cu Stop Al-Zn-Mg-Cu jest stopem poddawanym obróbce cieplnej. Głównymi elementami wzmacniającymi są Zn i Mg. Cu ma również pewien efekt wzmacniający, ale jego główną funkcją jest poprawa odporności materiału na korozję.
Zn i Mg: Zn i Mg są głównymi elementami wzmacniającymi. Gdy występują współistnieją, tworzą fazy η (MgZn2) i T (Al2Mg2Zn3). Faza η i faza T mają dużą rozpuszczalność w AI i zmieniają się dramatycznie wraz ze wzrostem i spadkiem temperatury. Rozpuszczalność MgZn₂ w temperaturze eutektycznej wynosi 28%, która zmniejsza się do 4%~5% w temperaturze pokojowej. Ma silny efekt wzmacniający starzenie. Zwiększenie zawartości Zn i Mg może znacznie poprawić wytrzymałość i twardość, ale zmniejszy plastyczność, odporność na korozję naprężeniową i odporność na pękanie.
Cu: Gdy Zn/Mg jest większe niż 2,2, a zawartość Cu jest większa niż Mg, Cu i inne pierwiastki mogą wytwarzać wzmocnioną fazę S (CuMgAlz), aby zwiększyć wytrzymałość stopu, ale w przeciwnym przypadku prawdopodobieństwo istnienia fazy S jest bardzo małe. Cu może zmniejszyć różnicę potencjałów między granicą ziarna a wewnątrzgranulkową, a także może zmienić strukturę fazy wydzieleniowej i udoskonalić fazę wydzieleniową granicy ziarna, ale ma niewielki wpływ na szerokość strefy nie wydzieleniowej granicy ziarna. Może hamować tendencję do pękania międzykrystalicznego, poprawiając w ten sposób odporność stopu na korozję naprężeniową. Jednak gdy zawartość Cu jest większa niż 3%, odporność stopu na korozję pogarsza się. Cu może zwiększyć przesycenie stopu, przyspieszyć proces sztucznego starzenia stopu w zakresie od 100 do 200 stopni C, rozszerzyć stabilny zakres temperatur strefy GP i poprawić wytrzymałość na rozciąganie, plastyczność i wytrzymałość zmęczeniową. W zakresie, w którym zawartość Cu nie jest zbyt wysoka, odporność na zmęczenie cykliczne i wytrzymałość na pękanie zwiększają się wraz ze wzrostem zawartości Cu, a szybkość wzrostu pęknięć jest zmniejszona w środowisku korozyjnym, ale dodatek Cu ma tendencję do powodowania korozji międzykrystalicznej i korozji wżerowej. Wpływ Cu na odporność na pękanie jest związany ze stosunkiem Zn/Mg. Gdy stosunek jest mały, im wyższa zawartość Cu, tym gorsza wytrzymałość; gdy stosunek jest duży, nawet jeśli zawartość Cu jest wysoka, wytrzymałość jest nadal bardzo dobra.
W stopie znajduje się również niewielka ilość pierwiastków śladowych, takich jak Mn, Cr, Zr, V, Ti, B. Fe i Si są szkodliwymi zanieczyszczeniami w stopie, a ich interakcje są następujące.
Mn, Cr: Dodanie niewielkiej ilości pierwiastków przejściowych, takich jak Mn i Cr, ma znaczący wpływ na strukturę i właściwości stopu. Pierwiastki te mogą wytwarzać rozproszone cząstki podczas wyżarzania homogenizującego wlewka, zapobiegać migracji dyslokacji i granic ziaren, zwiększając w ten sposób temperaturę rekrystalizacji, skutecznie zapobiegając wzrostowi ziaren, rafinując ziarna i zapewniając, że struktura pozostaje nieskrystalizowana lub częściowo zrekrystalizowana po obróbce na gorąco i cieplnej, dzięki czemu wytrzymałość ulega poprawie, a jednocześnie ma lepszą odporność na korozję naprężeniową. Pod względem poprawy odporności na korozję naprężeniową dodanie Cr jest lepsze niż dodanie Mn.
Zr: Ostatnio pojawił się trend zastępowania Cr i Mn Zr. Zr może znacznie zwiększyć temperaturę rekrystalizacji stopu. Niezależnie od tego, czy jest to odkształcenie na gorąco, czy na zimno, po obróbce cieplnej można uzyskać strukturę nierekrystalizowaną. Zr może również poprawić hartowność stopu, spawalność, wytrzymałość na pękanie, odporność na korozję naprężeniową itp. Zr jest bardzo obiecującym pierwiastkiem śladowym w stopach Al-Zn-Mg-Cu.
Ti i B: Ti i B mogą rozdrobnić ziarna stopu w stanie odlewanym i zwiększyć temperaturę rekrystalizacji stopu.
Fe i Si: Fe i Si to nieuniknione szkodliwe zanieczyszczenia w stopach aluminium 7XxX, które pochodzą głównie z surowców, a także narzędzi i sprzętu używanego do wytopu i odlewania. Zanieczyszczenia te występują głównie w postaci twardego i kruchego FeAl: i wolnego Si. Zanieczyszczenia te mogą również tworzyć grube związki, takie jak (FeMn)Als, (FeMn)Si2Als, Al(FeMnCr) z Mn i Cr. FeAl3 ma działanie rafinujące ziarna, ale ma większy wpływ na odporność na korozję. Wraz ze wzrostem zawartości fazy nierozpuszczalnej zwiększa się również ułamek objętościowy fazy nierozpuszczalnej. Te nierozpuszczalne drugie fazy pękną i wydłużą się podczas odkształcania, co spowoduje powstanie struktury pasmowej, a cząstki będą ułożone w linii prostej wzdłuż kierunku odkształcania. Ponieważ cząstki zanieczyszczeń są rozprowadzane wewnątrz ziaren lub na granicach ziaren, podczas odkształcania plastycznego pory występują na niektórych granicach cząstka-matryca, co powoduje mikropęknięcia, które stają się przyczyną pęknięć makro. Ponadto ma duży wpływ na szybkość wzrostu pęknięć zmęczeniowych. Ma pewien wpływ na zmniejszenie lokalnej plastyczności podczas niszczenia. Wzrost liczby zanieczyszczeń skraca odległość między cząstkami, tym samym zmniejszając płynność odkształcenia plastycznego wokół wierzchołka pęknięcia. Ponieważ faza zawierająca Fe i Si jest trudna do rozpuszczenia w temperaturze pokojowej, odgrywa rolę karbu i łatwo staje się źródłem pęknięć, powodując pękanie materiału, co ma bardzo niekorzystny wpływ na wydłużenie, zwłaszcza odporność stopu na pękanie. Dlatego podczas projektowania i produkcji nowych stopów zawartość Fe i Si jest ściśle kontrolowana. Oprócz stosowania surowców metalowych o wysokiej czystości, podczas procesu topienia i odlewania podejmowane są również pewne środki, aby zapobiec mieszaniu się tych dwóch pierwiastków ze stopem.